УСТРОЙСТВО И КОНСТРУКЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Конструкция пьезоэлектрических преобразователей

На рисунке 6.1 а схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины Х-среза 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Рис. 6.7. Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя должен быть включён усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надёжность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Для кварца, который по своим упругим свойствам близок к идеальному телу, преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с погрешностью 10_4...10_6. В последние годы в связи с развитием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне и в измерительных цепях, преобразующих заряд. Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобразователями для датчиков давлений, ускорений, сил.

Для повышения чувствительности датчиков используются пьезоэлементы из пьезокерамики, имеющей пьезомодуль значительно выше по сравнению с кварцем. Пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединённых при помощи металлических прокладок 2 пластин 1 (рис. 6.2 а). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой

где n — число параллельно соединённых пластин; С0 — ёмкость одной пластины; du — компонента тензора пьезоэлектрического модуля.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб. Пьезоэлемент, называемый биморфным, составлен из двух пластин. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, нижняя — сжатие, при этом на пластинах наводятся заряды. Пластины в зависимости от направления положительных осей в них (оси указаны стрелками) могут соединяться как параллельно, так и последовательно, как это и показано на рисунке 6.2 бив; там же даны и знаки зарядов. Кроме этого, в качестве одной из пластин может быть использован не пьезоэлемент, а металлическая накладка такой толщины, чтобы пье- запластина лежала выше нейтрального слоя (рис. 6.2 г).

Для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг. Схематическая конструкция пьезоакселерометра с цилиндрическим пьезоэлементом, работающим на сдвиг, показана на рисунке 6.2 д.

Выпускаемые в настоящее время пьезоакселерометры перекрывают диапазон ускорений 2 • 10_5...106 м/с2. Наиболее высокочастотные акселерометры имеют собственную частоту до 200 кГц при чувствительности 0,004 пКл/(мс~2). Наиболее высокочувствительные пьезоакселерометры имеют чувствительность до 100 пКл/(мс-2), но их собственные частоты не превышают 1 кГц.

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей

Рис. 6.2. Конструкции пьезоэлектрических преобразователей

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >